“太阳风暴”并非
科技术语
,而是太阳爆发活动及其引起的近地扰动的一种形象和通俗的说法。这里把太阳和
地球空间
看作一个整体,用太阳风暴一个概念综合描述太阳爆发活动和对地
空间环境影响
两个方面,既具有时代特色,又便于人们的理解。
当太阳爆发的物质和能量朝向
地球时
,就可能引起地球空间环境的扰动,进而影响
人类活动
。不同太阳爆发活动到达地球空间的时间也不一样。耀斑爆发时增强的地磁辐射以光速到达地球空间,时间只需约8分钟,它主要引起电离层突然骚扰,影响短波通信环境。高能带电粒子到达地球空间时间缓慢,约几十分钟,一方面它引起
极区
电离层
电子密度
增加,产生电波
极盖吸收
事件,另一方面它会直接轰击
航天器
,给航天器带来
辐射损伤
等多种影响。
日冕物质抛射的快速等离子体云需要大约1天~4天的时间才能到达地球,它首先与地球的
磁层
发生相互作用,引起地球磁场变化,产生地磁暴,随后引发地球空间高能电子暴、热等离子体注入、
电离层暴
、高层大气密度增加等多种空间环境扰动事件,对卫星运行、导航通信和
地面系统
产生一系列的影响。把太阳爆发中增强的电磁辐射、高能带电粒子、快速等离子体云先后对地球空间环境造成影响的过程形象的称之为三轮“攻击”。
太阳风暴的周期性变化
太阳风暴的周期性主要表现在太阳活动水平的
周期变化
上。太阳活动水平具有11年左右的周期变化特征,有太阳活动高年和低年之分,从
黑子
数的多寡以及太阳10.7厘米
射电流量
的变化,就能很容易看出太阳活动的这种周期变化。
通常在太阳高年,太阳爆发活动较多,太阳风暴发生频次较高,强度大。相反,在太阳活动低年,太阳爆发活动少,太阳风暴发生频次低,强度相对较弱。
对于太阳黑子数,人类已经有23个
太阳活动周期
的完整记录。第24
太阳活动周
起始于2008年12月,当前正处于太阳活动高年阶段。
太阳风暴
影响卫星安全
太阳爆发所喷射的高能
带电粒子
到达地球附近后,使在轨卫星遭遇的高能带电粒子急剧增加。这些高能带电粒子具有极高的能量,能穿透卫星外壳,给
卫星平台
和携带的
有效载荷
带来多种
辐射效应
。可能引起
微电子器件
逻辑错误
,造成程序混乱,严重时可能造成器件内部短路、击穿;也可能引起
材料性能
衰退,成像
系统噪声
增加,
太阳能电池
效率降低。同时,高能带电粒子还可能对宇航员造成辐射伤害。
地磁暴
期间,可能引起卫星的充/放电现象,放电脉冲可能干扰、破坏
电子元器件
的正常运行;
高层大气
密度增加会改变地
轨道卫星
的运行姿态和
轨道高度
等。如果不对卫星进行合理的防护设计和科学的在轨管理,太阳风暴可能对卫星造成巨大影响,严重时甚至能导致整星失效。
自1957年人类进入太空以来,曾多次经历卫星运行受太阳风暴影响的事例。太阳风暴导致卫星失效的事情也不乏其数。2000年的
巴士底
太阳风暴(因发生在
法国大革命
攻占巴士底狱
的纪念日而得名),使多颗卫星发生故障,一颗卫星失效。例如,美国
地球静止轨道环境业务卫星
GOES-10大于2兆
电子伏
的电子传感器发生故障,导致近两天的数据没有传输;美国先进成分
探测卫星
(
ACE
)的一些传感器发生了临时性故障;美国太阳与
日球层
观测卫星
(
SOHO
)的
太阳能电池板
输出
永久性
退化,卫星减寿一年;美国“风”卫星(WIND)的主要
传输功率
有25%永久丢失;日本黎明试验型
X射线
观测卫星(AKEBONO)的计算机遭到破坏。日本的
宇宙学
和
天体物理
高新卫星(ASCA)是1993年发射的一颗
X射线天文卫星
,因这次事件而失去高度定位,导致太阳能电池板错位而不能发电,于2001年3月坠入
地球大气层
。
太阳风暴
影响通信导航
太阳风暴干扰无线电通信的事例屡见不鲜。同样在2000年的巴士底太阳风暴中,7月14日的大
太阳耀斑
引起我国北京、
兰州
、
拉萨
和
乌鲁木齐
等地的电波
观测站
的短波无线电全部中断。2006年12月初连续爆发的太阳耀斑对我国的短波无线电信号传播造成严重影响,
短波通信
、广播等
电子信息系统
发生大面积中断或受到较长时间的严重干扰。12月13日
北京时间
10时40分前后,太阳又爆发一次大耀斑,广州、
海南
、重庆等电波观测站的短波探测信号从10时20分左右起发生全波段中断,直至11时15分以后才逐步出现信号,13时30分以后基本恢复正常。
太阳风暴
影响地面技术
太阳爆发活动对地球的第三轮攻击会引起地磁暴,
地球磁场
的剧烈变化在地球表面诱生地磁
感应电流
,这种附加电流会使电网中的变压器受损或者烧毁,造成停电事故。由于太阳风暴的袭击,灯火通明的城市90秒内将变成一片漆黑,这就是所谓的“
90秒灾难
”。此外,地磁感应电流还可能对长距离管线系统产生腐蚀,造成泄漏,影响石油、电缆等管线系统的正常运行。
在现代社会,电力已经成为人类生产生活不可或缺的部分。当太阳风暴来袭时,不仅
电力系统
本身将可能遭到重创,所有依赖电力的
应用系统
都将不堪一击,进而造成更加严重的经济损失。1989年3月的强太阳风暴曾使
加拿大
魁北克地区在寒冷的冬夜停电9小时,引起了
国际社会
的震惊和对太阳风暴的广泛关注,这次事件是有关太阳风暴危害中引用最多的一次事件。正是由于太阳风暴存在诸多危害,而且威力远远超过人类制造的任何武器,有科学家形象地将它称为来自自然界的“
太空武器
”。
科普:太阳风暴对人类健康有影响吗?
首先可以肯定的是,由于地球拥有磁场和稠密
大气层
的
双重保护
,地球上的环境要远远优于
太空环境
,各种有害射线和
高能辐射
都被阻挡在地球的大气层以外,太阳风暴对地球形成的三轮攻击也大多被
地球磁层
和大气层化解。太阳风暴应该不会对人类健康形成直接严重的影响。近年来,也有一些统计研究指出,太阳风暴与一些
传染病
、
心血管疾病
的发病率存在一定的
相关性
。但太阳风暴对人类健康会产生多大影响,影响机理是什么,都尚无科学结论。
我们主要依据太阳爆发活动的强度来衡量太阳风暴的强弱。太阳爆发活动通过增强的
电磁辐射
、高能
带电粒子流
和高速
等离子体云
等三种形式来
释放能量
,可以根据它们的强度、发生频次及危害程度来进行太阳风暴等级划分。
太阳风暴等级
|
事件类型
|
指标范围
|
可能的影响和危害
|
强太阳风暴
(红色警报)
|
强X射线耀斑
|
射线流量≥10
-3
|
通信:向阳面大部分地区的短波无线电通信中断1小时~2小时,信号消失;低频导航信号中断1小时~2小时,对向阳面卫星导航产生小的干扰
|
强质子事件
|
质子通量≥10
3
|
卫星:卫星电子器件程序混乱,成像系统噪音增加,太阳能电池效率降低,甚至更严重;
通信:通过极区的短波无线电通信收到影响,导航出现误差;
其他:宇航员辐射危害增加,极区高空飞机乘客可受到辐射伤害
|
强地磁暴
|
地磁指数K
P
=9
|
卫星:可能发生严重的表面充电;难以定向和跟踪;
通信:许多区域短波通信中断1天~2天,低频导航系统可能失灵几小时;
电力:电网系统发生电压控制问题,保护系统也会出现问题,变压器可能受到伤害
|
中等太阳风暴
(橙色警报)
|
中等X射线耀斑
|
10
-3
>射线流量≥10
-4
|
通信:短波无线电通信大面积受到影响,向阳面信号损失约1小时,低频无线电导航信号强度衰减约1小时
|
中等质子事件
|
10
3
>质子通量≥10
2
|
卫星:电子器件可能出现逻辑错误;
通信:通过极区的短波无线电传播有一些影响,在极盖位置的导航受到影响
|
中等地磁暴
|
9>K
P
≥7
|
卫星:可能发生表面充电,跟踪出现问题,需要对卫星的定向进行矫正;
通信:卫星导航、低频无线电导航和短波无线电传播可能会断断续续也会出现问题
|
弱太阳风暴
(黄色警报)
|
弱X射线耀斑
|
10
-4
>射线流量≥10
-5
|
通信:向阳面短波信号强度衰减较小,低频导航信号强度短时衰减
|
弱质子事件
|
10
2
>质子通量≥10
|
通信:对极区短波无线电通信有一些影响
|
弱地磁暴
|
7>K
P
≥5
|
卫星:卫星操作可能有小的影响,或需要有地面发出指令对卫星的定向进行矫正,大气阻力增加影响轨道预报;
电力:电力系统可能出现电压不稳
|
注:射线流量单位:瓦/米
2
,质子通量单位:个/(厘米
2
·秒·球面度)
|
1859年9月1日早晨,英国
天文爱好者
卡林顿在观测
太阳黑子
时,发现太阳北侧的一个大
黑子群
内突然出现了两道极其明亮的白光,并且在这个黑子群的附近正形成一对明亮的月牙形的东西。另一位英国天文爱好者霍奇森也看到了这次太阳爆发。他们先后向
英国皇家天文学会
报告了观测结果。之后,9月2日,
地磁观测站
检测到了强烈的
地磁扰动
,卡林顿认为这与他观测到的现象有关,但当时的科学家不相信这一结论,卡林顿就此感叹到“One swallow does not make a summer”(
一燕不成夏
)。由于之前8月28日也发生了强烈地磁扰动,所以后来人们把这连续两次事件统称为“卡林顿事件”。
在卡林顿事件发生期间,观测技术还不够成熟,空间环境扰动监测数据也不够全面。但事后人们从
高能粒子
数量、极光范围、地磁扰动和造成的危害这几个方面还是可以推断出卡林顿事件是历史上最强的太阳风暴。